EFEITO SEEBECK: UMA PRATICA PARA O ENSINO MÉDIO

## EFEITO SEEBECK: UMA PRÁTICA PARA O ENSINO MÉDIO

Ducinei Garcia [ducinei@df.ufscar.br]

Rafael Rodrigo Garofalo Paranhos [quaseumfisico@yahoo.com.br] Letícia Paranhos da Silva [jogadora3000@yahoo.com.br]

Departamento de Física da Universidade Federal de São Carlos

## 1. RERESUMO

A temática energia e suas diferentes formas de transformação é tratada em livros textos e em para -didáticos de Ciências, de Química e de Física, tanto no ensino fundamental como no médio. Este trabalho propõe uma prática demonstrativa do Efeito Seebeck como forma de transformação de energia, no caso de térmica para elétrica. Embora conhecido desde 1821, e com diversas aplicações em dispositivos de nosso dia a dia, este efeito não é discutido em sala de aula. Uma das motivações para o uso desta prática, no âmbito do ensino médio, por exemplo, se baseia nas necessidades de inclusão científica e tecnológica apontadas pela LDB (lei número 9394/96) e pelo PCN+ (Física). Esta demonstração, que leva em conta praticidade, clareza e a segurança na forma de demonstração, utiliza diferentes ligas metálicas (termopares), cujas junções ficam sujeitas à mesma variação de temperatura gerada por um secador de cabelos. As diferenças de potencial geradas devido ao efeito em questão são, então, observadas por um multímetro digital, para comparação. Esta prática também permite uma análise quantitativa do efeito Seebeck, utilizando uma matemática simples (equação de primeiro grau) para o intervalo de temperatura utilizado. Gráficos com os dados de diferença de popotencial em função de temperatura (obtida através de um termômetro de mercúrio, por exemplo) podem ser analisados para a determinação do coeficiente Seebeck de cada liga, através da interpolação linear dos pontos experimentais na faixa de temperatura trabalhada. Um ponto negativo, porém, é o custo associado à necessidade de uso de multímetros com precisão de pelo menos três dígitos.

## 2. ININTRODUÇÃO

A motivação para que este trabalho fosse desenvolvido nasceu de uma aula de instrumentação no ensino de física na qual foi proposto um conjunto de práticas que envolvessem o tema energia. Escolhemos assim a geração de energia elétrica através da energia térmica, contudo queríamos fugir da representação clássica que é discutir a energia elétrica produzida através de usinas termo -elétricas, não que esse tipo de geração de energia não tenha seu grau de importância, porém queríamos nos aproximar mais no que está escrito na LDB e no PCN+ para o ensino de física, que será descrito em maiores detalhes nas linhas abaixo.

Este trabalho vem de encontro com as necessidades apontadas pela LDB lei sancionada em 20/12/1996 (número 9394/96) onde encontramos as diretrizes e bases da educação nacional, contudo iremos nos concentrar no artigo 35° onde encontramos: "O ensino médio, etapa final da educação básica, com duração mínima de três anos terá como finalidades:" [1] inciso IV "A compreensão dos fundamentos científicos - tecnológicos dos processos produtivos, relacionando a teoria com a prática, no ensino de cada disciplina." [1] E mais no artigo 36º "O currículo do ensino médio observará o disposto Na seção I deste capítulo e as seguintes diretrizes:" [1] inciso I "destacará a educação tecnológica básica, a compreensão da ciência, das letras e das artes; o

processo histórico de transformação da sociedade e da cultura; a língua portuguesa como instrumento de comunicação, acesso ao conhecimento e exercício da cidadania." [1].

Já no PCN+ (Parâmetros Curriculares Nacionais) encontramos uma passagem de extrema importância para o trabalho que é: "."... trata-se de construir uma visão da física que esteja voltada para a formação de um cidadão contemporâneo, atuante e solidário, com instrumentos para compreender, intervir e participar na realidade. Nesse sentido, mesmo os jovens que, após a conclusão do ensino médio não venham ater mais qualquer contato escolar o conhecimento em física, em outras instâncias profissionais ou universitárias ainda assim terão adquirido a formação necessária para compreender e participar do mundo em que vive" . [2] Outra a passagem importante diz: "... O ensino de física vem deixando de concentrar-se na simples memorização de fórmulas ou repetição automatizada de procedimentos, em situações ou extremamente abstratas, ganhando consciência de que é preciso dar-lhe um significado, explicitando seu sentido já no momento do aprendizado, na própria escola média" . [2] .

Tomando partido das claras necessidades acima apontadas para o ensino de física propomos uma prática sobre o efeito Seebeck, que ainda se mostra popouco difundida no banco das escolas, porém utilizado em diversas aplicações industriais e comerciais. Assim sendo é necessário uma pequena introdução sobre o efeito seebeck e efeito Peltier em maiores detalhes, mas antes vamos definir importantes grandezas físicas:

## 2.1 Alguns Conceitos e Definições

Temperatura: "propriedade de um corpo, ou região que define a direção da troca de calor com sua vizinhança; A temperatura é uma variável intensiva, i.e., que não depende do tamanho ou da quantidade de matéria do sistema, no SI sua unidade é o Kelvin (K).". [3]

Calor: "Forma de energia que se transfere de um sistema para outro graças à diferença de temperatura entre eles." [3].

Força eletromotriz: "Nome utilizado para indicar a energia cedida a um circuito por uma fonte de alimentação, que é medida como o trabalho sobre uma carga unitária que completa o circuito". [3]

## 2.2 Efeito Seebeck

Foi durante uma observação de efeitos eletromagnéticos de um circuito com duas ligas metálicas, sendo a primeira de bismuto-cobre e a segunda bismuto-antimônio que Seebeck (Thomas Johann Seebeck, nascido a 9 de Abril de 1770 e falecido a 10 de Dezembro de 1831)[4] descobriu a corrente termoelétrica, que é uma corrente elétrica gerada pela diferença de temperatura. É importante frisar que a geração desta corrente elétrica depende diretamente das ligas metálicas utilizadas [5], como exemplificado para alguns casos na tabela 1. Para uma determinada liga, tal dependência pode ser descrita por:

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onde dE s é a diferencial da voltagem; aAB, o coeficiente Seebeck da liga; e dT, a diferencial da temperatura.

Tabela 1. Valores de coeficientes Seebeck de diferentes ligas metálicas, indicadas por para 0 e 200 o C [5].

## 2.4 Leis termoelétricas

Agora vamos fazer pequenas considerações sobre as leis que regem os circuitos termoelétricos.

1ª -"Uma corrente termoelétrica não pode ser mantida popor um único material homogêneo, pela aplicação de uma única fonte de calor". [5]

2ª -"A "A soma das forças termo eletromotrizes num circuito feito por quaisquer numero de matérias diferentes será 0 se o circuito está a uma temperatura uniforme"e". [5]

## 2.5 Termopares

São dispositivos constituídos, em geral, por dois fios metálicos diferentes soldados nas extremidades que, quando submetidos a temperaturas diferentes estabelecem uma força eletromotriz (fig.1).

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## Fig. 1 desenho esquemático do efeito seebeck

Os termopares podem ser classificados segundo a tabela 2 [5]:

Tabela 2 Classificação dos termopares

Já na tabela 3 são demonstrado os valores máximos de temperatura as quais os diferentes tipos de termopares podem ser submetidos sem que sejam as propriedades físicas do material.

Tabela 3 temperatura máxima em relação ao diâmetro do fio

## 2.6 Aplicações

Por fim vamos trazer à tona as aplicabilidades práticas dos efeitos acima citados. Para o efeito seebeck vamos ilustrar as aplicações gerais para termopares do tipo J, K, E e T.

Medição de temperaturas superficiais.

Uso veterinário.

Mini -hipodérmicos.

Eletrônica.

Aplicações industriais.

## 3. OBJETIVOS

O objetivo do presente trabalho e buscar demonstração prática do efeito Seebeck para alunos do ensino médio proporcionando a eles uma maior aproximação das novas tecnologias presentes no cotidiano.

## 4. MATERIAIS E MÉTODOS

Materiais utilizados estão listados abaixo:

Placa de madeira

Multímetros

Termopares (tipos K, T e J).

Secador de cabelolo

Conectores

Termômetro

O experimento foi montado sob a placa de madeira de forma a deixar claro a região onde seria aplicada a diferença de temperatura, no nosso caso utilizamos uma fonte de calor quente (secador de cabelo, o qual foi escolhido visando umuma maior segurança na demonstração) e a outra fria (meio ambiente).

Os termopares foram dispostos de forma a deixar o mais claro possível a diferença entre eles (cores, caminhos percorridos diferentes). Porém os multímetros utilizados foram escolhidos respeitando uma lógica completamente oposta às disposições dos fios, pois nesta parte do procedimento procura-se minimizar possíveis desconfianças sobre a validade do experimento. Os termopares foram escolhidos seguindo o critério de maior eficiência a baixas s temperaturas.

A montagem experimental está demonstrada de forma esquemática na figura 2 abaixo.

Fig.2 esquema da montagem experimental.

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Chega então o momento de fazer algumas importantes considerações sobre a aplicabilidade desta prática. Ficou claro desde o título que o nosso público-alvo são alunos do ensino médio que por estarem no final de sua educação básica estão saindo para o mercado de trabalho ou rumo ao ensino superior, portanto tende a ter uma necessidade maior de entrar em contato com as tecnologias que o mundo lhe proporciona. Não queremos dizer que tais jovens já não tiveram acesso a essas tecnologias antes de entrarem no ensino médio, mas sim que estes jovens devem ter uma relação mais íntima entre a tecnolologia desenvolvida nos dias de hoje e não apenas usá-la de forma indiscriminada e inconsciente das bases teóricas. Além disso, tem uma aplicabilidade na indústria e comércio todas elas na forma de medição de temperatura.

Um outro ponto positivo desta experiência é o simples tratamento matemático que pode ser empregado. Por exemplo, propriedades das equações de primeiro grau e seus gráficos, porém esta simples matemática gera resultados importantes e de fácil observação.

Esta experiência pode apresentar certrtas dificuldades. Por exemplo, as ligas metálicas utilizadas devido ao seu grau de pureza, os multímetros e por fim o secador de cabelos. São de certa forma materiais simples de serem encontrados, porém cada um destes materiais não tem um preço acessível a a todas as camadas sociais.

## 5. REREFERÊNCIAS

- 1. LDB (lei número 9394/96), retirada do sítio: www.mec.gov.br/legis/default.shtm
- 2. PCN+ , retirado do sítio www.sbfisica.org.br/arquivos/P/PCN\_FIS.pdf
- 3. Roditi, I.; Dicionário Houaiss física.
- 4. Wikipedia, retirado do sítio: http://pt.wikipedia.org/wiki/Efeito\_Seebeck .
- 5. ASTM, Manual on the use of thermocouples in temperature measurement.

- 6. feira de Ciências, retirado do sítio http://www.feiradeciencias.com.br .